JP2007273196A - 固体酸化物形燃料電池、及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】多数の単セルを省スペースで接続することができ、構造が簡単な単室型の固体酸化物形燃料電池ユニットを提供する。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池ユニットは、筒状の燃料極１１の表面に形成された電解質１２の表面に形成された空気極１３を備え、燃料極１１の軸方向長さは、電解質１２及び空気極１３より長く、燃料極１１の一端部が露出している、第１の燃料電池１と、筒状の空気極２３の表面に形成された電解質２２の表面に形成された燃料極２１とを備え、空気極２３の軸方向長さは、電解質２２及び燃料極２１より長く、空気極２３の一端部が露出している第２の燃料電池２と、第１の燃料電池１の他端部における外周面を構成する空気極１３、及び第２の燃料電池２の他端部における外周面を構成する燃料極２１を接続するインターコネクター４とを備え、第１及び第２の燃料電池１，２が軸方向に連結されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスにより発電を行う固体酸化物形燃料電池、及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池ユニットに関する。

従来より、固体酸化物形燃料電池のセルデザインとして、平板型（スタック型）、円筒型（チューブ型）などが提案されている。

円筒型セルは、円筒形の電解質の外周面及び内周面に燃料極及び空気極をそれぞれ配置したものであり、円筒縦縞型、円筒横縞型などが提案されている。そして、このような円筒型セルは、例えば、特許文献１に記載のように、外周面に導電部材を配置することで、他のセルと電気的に接続している。
特開平１１−２５９９９号公報

しかしながら、上記円筒型セルは、軸方向ではなく、径方向に広がるように接続しているため、多数のセルを接続し、大電圧を得るには、大きいスペースが必要になる。しかも、最も内側の層の電極が露出するように、セルの外周面の一部を切り欠く必要があり、構造が複雑になるという問題もある。さらに、上記セルは、いわゆる二室型のセルであり、円筒の内外で異なるガスを供給する必要があるため、このセルを配置するシステムの構造も複雑になるという問題がある。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、多数の単セルを省スペースで接続することができるため大電圧を得易く、しかも構造が簡単な、燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスにより発電を行う、いわゆる単室型の固体酸化物形燃料電池、及びこれを用いた燃料電池ユニットを提供することを目的とする。

第１の本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスが供給される固体酸化物形燃料電池であって、上記問題を解決するためになされたものであり、筒状の燃料極（アノード）と、前記燃料極の表面に形成された電解質と、前記電解質の表面に形成された空気極（カソード）と、を備え、前記燃料極の軸方向長さは、前記電解質及び空気極より長く、前記燃料極の一端部の外周面が露出している。

また、第２の本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスが供給される固体酸化物形燃料電池であって、筒状の空気極と、前記空気極の表面に形成された電解質と、前記電解質の表面に形成された燃料極と、を備え、前記空気極の軸方向長さは、前記電解質及び燃料極より長く、前記空気極の一端部の外周面が露出している。

上記第１及び第２の発明に係る燃料電池は、一端部から電極が突出するように露出しているため、この突出部分を他の電池と接続すれば、軸方向に電池を接続することができる。したがって、この突出部分により他の電池との接続を簡単に行うことができ、しかも多数の電池を接続しても軸方向に延びるだけなので省スペース化を図ることができる。また、この電池は、筒状の電極に、例えば、電解質及び異極の電極を順次印刷等することで、製造することかできるため、外周面の一部を切り欠くような従来例の製造方法より製造が簡単である。

また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池ユニットは、上記問題を解決するためになされたものであり、上記第１の発明に係る燃料電池と同一構成の第１の燃料電池と、第２の発明に係る燃料電池と同一構成の第２の燃料電池と、前記第１の燃料電池の他端部における外周面を構成する空気極、及び前記第２の燃料電池の他端部における外周面を構成する燃料極を接続するインターコネクターと、を備え、前記第１及び第２の燃料電池が軸方向に連結されている。

この構成によれば、第１及び第２の燃料電池の他端部における外周面同士を接続することで、燃料電池ユニットを形成している。このユニットの軸方向両端部において外部に露出している部分は、それぞれ燃料極及び空気極であるため、このような燃料電池ユニットを複数個準備しておけば、複数の燃料電池を軸方向に簡単に接続することができる。その結果、省スペースで電池の集積化を図ることができる。

第１及び第２の燃料電池の他端部側同士を接続する方法は、種々の方法が考えられるが、例えば、両燃料電池の外周面を巻回するようにインターコネクターを構成することができる。

本発明によれば、多数の単セルを省スペースで接続することができ、しかも構造が簡単となる。

以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池及び燃料電池ユニットの一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本実施形態に係る第１の固体酸化物形燃料電池の断面図（ａ）及び側面図（ｂ）、図２は、第２の固体酸化物形燃料電池の断面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。

図１に示すように、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池には、２種類の電池がある。図１は、第１の燃料電池１を示しており、固形の円筒状の燃料極１１の外周面に、薄膜状の電解質１２及び空気極１３がこの順で形成されている。この電池１では、燃料極１１の軸方向の長さが、電解質１２及び空気極１３よりも長くなっている。すなわち、電池の軸方向の一端部（図１の上方）から燃料極１１の外周面が露出している。一方、他端部では、燃料極１１、電解質１２、及び空気極１３が同じ位置で終端し、最内層の燃料極１１、中間層の電解質１２は、空気極１３に覆われている。

図２に示すように、第２の燃料電池２は、固形の円筒状の空気極２３の外周面に薄膜状の電解質２２及び燃料極２１がこの順で形成されている。上記第１の燃料電池１と同様に、電池の一端部（図２の上方）からは空気極２３の外周面が露出する一方、他端部においては、空気極２３、電解質２２、及び燃料極２１が同じ位置で終端している。

そして、上記のように構成された第１及び第２の燃料電池１，２を連結することで、燃料電池ユニットが構成される。図３は、この燃料電池ユニットの側面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。図３に示すように、このユニットは、第１及び第２の燃料電池１，２の他端部同士を連結したものである。両燃料電池１，２の他端部は、燃料極１１，２１、空気極１３，２３及び電解質１２，２２の端部が揃った位置で終端しており、この他端部の端面同士を、環状のガラスシール３を介して接続している。そして、各燃料電池１，２の他端部の外周面、つまり第１の燃料電池１の空気極１３及び第２の燃料電池２の燃料極２１をインターコネクター４で接続している。このインターコネクター４は、メッシュ状に形成され、両燃料電池１，２の突き合わされた両他端部外周面及びガラスシール３を覆うように、電池の外周面に巻回されている。これにより、両電池は、軸方向に延びるように接続され、ユニットの軸方向の両端には、燃料極１１及び空気極２３が露出している。

このような構成の燃料電池ユニットを複数個準備し互いに接続すれば、高出力を得ることができる。この際の接続方法としては、例えば、両端部から外周面が露出している燃料極１１と空気極２３の端面同士を当接させ、その外周を絶縁性の接着剤で固定すればよい。或いは、燃料極１１及び空気極２３の一部に穴を形成し、ブラケットを介してねじ止めすることもできる。つまり、その連結方法としては種々のものが考えられ、他の電極、例えば第１の燃料電池１の空気極１３や、第２の燃料電池２の燃料極２１と接触しないように、両端部の燃料極１１及び空気極２３が電気的に接続されれば、その方法は特には限定されない。

次に、上記燃料電池を構成する材料について説明する。電解質１２，２２の材料としては、固体酸化物形燃料電池の電解質として公知のものを使用することができ、例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を用いることができる。

燃料極１１，２１及び空気極１３，２３は、セラミックス粉末材料により形成することができる。このとき用いられる粉末の平均粒径は、好ましくは１０ｎｍ〜１００μｍであり、さらに好ましくは５０ｎｍ〜５０μｍであり、特に好ましくは１００ｎｍ〜１０μｍである。なお、平均粒径は、例えば、ＪＩＳＺ８９０１にしたがって計測することができる。

燃料極１１，２１は、例えば、金属触媒と酸化物イオン導電体からなるセラミックス粉末材料との混合物を用いることができる。このとき用いられる金属触媒としては、ニッケル、鉄、銅、コバルトや、貴金属（白金、ルテニウム、パラジウム等）等の還元性雰囲気中で安定で、水素酸化活性を有する材料を用いることができる。また、酸化物イオン導電体としては、蛍石型構造又はペロブスカイト型構造を有するものを好ましく用いることができる。蛍石型構造を有するものとしては、例えばサマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などを挙げることができる。また、ペロブスカイト型構造を有するものとしてはストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物を挙げることができる。上記材料の中では、酸化物イオン導電体とニッケルとの混合物で、燃料極１１，２１を形成することが好ましい。なお、酸化物イオン導電体からなるセラミックス材料とニッケルとの混合形態は、物理的な混合形態であってもよいし、ニッケルへの粉末修飾またはセラミックス材料へのニッケル修飾などの形態であってもよい。また、上述したセラミックス材料は、１種類を単独で、或いは２種類以上を混合して使用することができる。また、燃料極１１，２１は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。

空気極１３、２３を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ペロブスカイト型構造等を有するＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ又はＭｎ等からなる金属酸化物を用いることができる。具体的には（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｏ_３などの酸化物が挙げられ、好ましくは、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_３である。上述したセラミックス材料は、１種を単独で、或いは２種以上を混合して使用することができる。

薄膜状に形成される上記燃料極２１、及び空気極１３は、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることにより形成される。より詳細には、上記主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が５０〜９５重量％となるように、バインダー樹脂等を加えることが好ましい。

燃料極２１、空気極１３の形成方法としては、例えば印刷法を用いることができ、具体的には、スクリーン印刷法やナイフコ−ト法、ドクターブレード法、スプレーコート等の印刷方法を用いることができる。これ以外にも、燃料極２１、空気極１３を、転写シート上に塗布しておき（いわゆるグリーン体）、これらを転写することによって電極を形成することもできる。また、最内層に配置される基材となる硬質の筒状燃料極１１及び空気極２３は、押し出し成形、粉末プレス成形、射出成形、鋳込成形、シート成形などで成形することができる。

インターコネクタ４は、電子伝導性を有するが、イオン伝導性が無視できる程度に小さいことが好ましい。また、熱力学的に安定な材料で構成されていることが好ましい。導電率については、燃料電池の運転温度において、２Ｓ・ｃｍ^−１以上であることが好ましい。具体的には、インターコネクタ４を構成する材料は、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ，ＳＵＳ等の導電性金属、或いは金属系材料，又はＬａ（Ｃｒ，Ｍｇ）Ｏ_３，（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ_３などのランタン・クロマイト系等の導電性セラミックス材料によって形成することができ、これらのうちの１種を単独で使用してもよいし、２種以上を混合して使用してもよい。そして、このような材料をメッシュ状に形成し、両燃料電池の他端部同士を突き合わせ、その外周面に巻回することで、両燃料電池を電気的に接続する。

上記のように構成された燃料電池ユニットは、次のように発電が行われる。まず、電池に対して水素、又はメタン、エタンなどの炭化水素からなる燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとの混合ガスＧを高温の状態（例えば、４００〜１０００℃）で供給する。このとき、混合ガスＧは、燃料電池ユニットの軸方向に供給する。これにより、混合ガスＧは、筒状の電池ユニットの外周面に沿って流れるとともに、内部の空間を通過し、燃料極１１，２１及び空気極１３，２３の双方に接触する。こうして、燃料極１１，２１及び空気極１３，２３がそれぞれ混合ガスＧと接触するため、各燃料電池１、２における燃料極１１，２１と空気極１３、２３との間で、電解質１２，２２を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。

以上のように、本実施形態は、第１及び第２の燃料電池１，２の他端部における外周面同士を接続することで、燃料電池ユニットを形成している。このユニットの軸方向両端部からは燃料極１１及び空気極２３が突出するように外部に露出しているため、他の電池との接続が容易になる。すなわち、この突出により、接続時に外周面の電極と接触して短絡するのが防止される。そして、このような燃料電池ユニットを複数個準備しておけば、複数の燃料電池を軸方向に簡単に接続することができる。その結果、省スペースで電池の集積化を図ることができる。また、単室型であるため、燃料ガスと酸化剤ガスとを個別に供給する必要がないため、この電池を設置するシステムの構造を簡素化することができる。

また、個々の燃料電池１，２においても端部から電極が突出するように露出しているため、他の電池との接続が簡単であり、省スペース化を図ることができる。また、各燃料電池１，２は、筒状の電極に、例えば、電解質及び異極の電極を順次印刷等することで、製造することかできるため、外周面の一部を切り欠くような従来例の製造方法よりも製造が簡単である。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、燃料電池ユニットを作成する際、第１及び第２の燃料電池１，２の他端部同士をガラスシール３を介して接続し、その外周をインターコネクター４で覆うように巻回しているが、これ以外の接続方法でもよい。すなわち、ガラスシール以外の絶縁シールで端面同士が接触しないようにしておき、外周面同士が電気的に接続されれば、インターコネクターの形態についても特には限定されない。

また、上記実施形態では、円筒状の燃料電池を形成しているが、筒状に形成されて内部をガスが通過できるようにしておけば、その断面形状は特には限定されない。つまり、断面形状は、四角形状、多角形状等、種々の形状にすることができる。

本発明に係る第１の燃料電池の一実施形態を示す断面図及び側面図である。 本発明に係る第２の燃料電池の一実施形態を示す断面図及び側面図である。 本発明に係る燃料電池ユニットの一実施形態を示す側面図及び断面図である。

符号の説明

１ 第１の燃料電池
２ 第２の燃料電池
１１，２１ 燃料極
１２，２２ 電解質
１３，２３ 空気極
４ インターコネクタ

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスが供給される固体酸化物形燃料電池であって、
   筒状の燃料極と、
   前記燃料極の表面に形成された電解質と、
   前記電解質の表面に形成された空気極と、を備え、
   前記燃料極の軸方向長さは、前記電解質及び空気極より長く、前記燃料極の一端部の外周面が露出している、固体酸化物形燃料電池。
2. 燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスが供給される固体酸化物形燃料電池であって、
   筒状の空気極と、
   前記空気極の表面に形成された電解質と、
   前記電解質の表面に形成された燃料極と、を備え、
   前記空気極の軸方向長さは、前記電解質及び燃料極より長く、前記空気極の一端部の外周面が露出している、固体酸化物形燃料電池。
3. 請求項１に記載の燃料電池と同一構成の第１の燃料電池と、
   請求項２に記載の燃料電池と同一構成の第２の燃料電池と、
   前記第１燃料電池の他端部における外周面を構成する空気極、及び前記第２燃料電池の他端部における外周面を構成する燃料極を接続するインターコネクターと、を備え、
   前記第１及び第２の燃料電池が軸方向に連結されている、固体酸化物形燃料電池ユニット。
4. 前記インターコネクターは、前記第１燃料電池と前記第２燃料電池の外周面を巻回するように構成されている、請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池ユニット。

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